Physique du semi-conducteur en électronique de puissance
Introduction aux composants de microélectronique de puissance

À l’aube de la transition énergétique, accélérée par la raréfaction des ressources en énergie fossile et à la prise de conscience liée aux enjeux environnementaux et écologiques, acheminer aux clients l’énergie électrique sur de longues distances à partir de multiples sources renouvelables (ou pas) imposent des défis dans la conversion de puissance où les composants actifs de puissance jouent un rôle essentiel.

L’acheminement en HVDC (courant direct, très haute tension) exige des convertisseurs dont les tensions de travail pourront avoisiner 10 kV et oblige à repenser leurs architectures. Ces convertisseurs reposent sur des interrupteurs de puissance réalisés à partir de matériaux semi-conducteurs. Leur étude relève de la microélectronique de puissance. Ayant les mêmes racines que la microélectronique de signal, la microélectonique de puissance a évolué de son côté avec le développement de ses propres technologies. Ainsi, il n’existe pas d’IGBT pour l’électronique de signal tout comme les superjonctions y ont un intérêt plus que limité.

Alors que le microélectonique de signal privilégiait la miniaturisation des composants en réduisant toujours plus la « finesse » de gravure des composants, la microélectronique de puissance, celle privilégiant l’acheminement de l’énergie électrique jusqu’aux foyers des consommateurs, a toujours recherché des composants supportant des tensions bien plus élevées (jusqu’à plusieurs milliers de volts). Le but a toujours été de parvenir au meilleur compromis entre la tension à supporter et la densité de courant admissible (jusqu’à 100 A.cm⁻²) en essayant de privilégier des composants verticaux qui pouvaient tirer profit de tout le volume du substrat semi-conducteur se lequel ils reposent.

Réalisés ainsi à partir de matériaux semi-conducteurs, ces composants seront toujours tributaires de leurs propriétés physiques, ce qui explique les limitations en performances telles que des tensions d’avalanche limitées par des champs électriques critiques insuffisants ou des résistances à l’état passant toujours trop élevées à cause du compromis entre l’état passant et l’état bloqué.

Cet article présente les principaux rouages des diodes bipolaires, des transistors de type bipolaire commandé en courant, puis des transistors de type MOSFET et IGBT commandés en tension. Les phénomènes d’avalanche et de conduction sont abordés en fonction de la topologie de la structure et des mécanismes qui seront mis en œuvre. Cet article se termine par un résumé sur le développement de matériaux à large bande interdite communément appelés martériaux semi-conducteurs à grand gap. Ayant des propriétés physiques en tout point supérieures à celles du silicium, les composants dits à grand gap sont déjà commercialisés, notamment ceux en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN). Le développement de ces technologies et leurs défis sont passés en revue.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés.